染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定实验报告

染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定一、 实验目的1. 了解染料敏化太阳电池的基本工作原理，学习CHI630电化学工作站的基本功能和调谐方法(或恒电位仪测量光电流的方法)；2. 了解染料敏化太阳电池的基本结构，测定方法；3. 掌握利用I-V曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率二、 实验原理太阳能的利用是一个永恒的课题。染料敏化纳米晶光电化学电池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳电池是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。图1染料敏化太阳电池的结构示意图与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光的吸收和光生电荷的分离是分开的。图2是染料敏化太阳电池的能级分布和工作原理图。图2染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边; D,D分别是染料的基态和激发态; I,I是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂 上图表示在光照射太阳电池后,电池内的电子直接转移过程。(1)染料分子的激发。(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带,CB和VB分别表示TiO2的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最好与TiO2的能带重叠,这有利于电的注入。(3)染料分子通过接受来自电子供体的电子,得以再生。(4)注入到TiO2导带中的电子与氧化态染料之间的复合,此过程会减少流入到外电路中电子的数量,降低电池的光电流。(5)注入到TiO2导带中的电子通过TiO2网格,传输TiO2膜与导电玻璃的接触面后流入到外电路,产生光电流。(6)在TiO2中传输的电子与间的复合反应。(7) 离子扩散到对电极被还原再生,完成外电路中电流循环。太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，电池器件，电化学工作站(恒电位仪)，计算机，通过对太阳能电池光照下的电流/电压曲线的分析，来测试染料敏化TiO2纳米晶光电化学电池的光电压，光电流，光电转换效率等性能。衡量光电化学太阳能电池的性能主要有五个评价参数：短路光电流(ISC)、开路光电压(VOC)、填充因子(FF)、入射光子到电子的转换效率(IPCE)和能量转换效率()。(1) 短路光电流(ISC)：太阳能电池在短路条件下的工作电流。此时，电池输出的电压为零。(2) 开路光电压(VOC)：太阳能电池在开路条件下的输出电压。此时，电池的输出电流为零。(3) 填充因子(FF)：填充因子定义为：FF= Pmax / ISC VOC。(4) 能量转换效率()：定义为太阳能电池的最大功率输出与入射太阳光的能量(Plight)之比。三、 仪器装置和样品1. 染料敏化的纳米晶太阳电池（未注入电解液）2. 微量进样器3. 标准电解液：0.1 mol/L LiI ， 0.05mol/L I2 ，0.5 mol/L 4叔丁基吡啶（溶剂为体积比为1：1的PC和乙氰的混合物）4. 恒电位仪，三电极体系（工作电极，参比电极，对电极）5. 辐照计（FZ-A型）6. 氙灯光源（功率500W）7. 光学导轨及透镜四、 实验步骤1. 调节光路：打开氙灯光源，将辐照计固定在导轨上。调节辐照计的相对距离，使辐照强度达到100mW/cm2并固定位置。2. 打开恒电位仪和计算机电源，屏幕显示清晰后，再打开恒电位仪测量窗口。3. 使用微量进样器抽取一定量的标准电解液，并将标准电解液沿缝隙边缘灌注至染料敏化纳米晶太阳电池中。将工作电极夹在电池的照光一端，参比电极和对电极夹在另一端。固定在步骤1中所述位置。4. 使用恒电位仪测量太阳电池的I-V曲线。5. 重复测量辐射照度为75mW/cm2和50mW/cm2下太阳电池的I-V曲线。五、 结果处理1. 根据实验数据作出染料敏化太阳电池的IV曲线图1。图1染料敏化太阳电池的I-V曲线2. 利用IV曲线作图得到染料敏化太阳电池的功率输出曲线图2。图2染料敏化太阳电池的P-V曲线3. 根据图1和图2得出：Plight（mW/cm2）ISC（mA）VOC（V）Pmax（mW/cm2）FF(%)(%)500.4135029620.0405133.10.081750.46010.30050.0441331.90.0591000.68450.36680.0800331.90.080注：FF=Pmax/(Isc*Voc)六、思考题1. 讨论影响太阳电池的光电能量转化效率的因素。答：影响太阳电池的光电能量转化效率的因素主要有：（1） 电池板材料的厚度和外形：我们知道，太阳能电池愈薄，电子的移动路径愈短，则其光电转化效率愈高。电池板的外形也会影响其光电转化效率，这是由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射、折射等现象，从而降低了电池的短路电流。适当的电池外型的改变(如表面粗化处理、电极形状)可以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等，从而提高其光电转化效率；（2） 辐射强度：辐射强度不仅影响电流收集（短路电流）而且影响正向偏压注入电流（开路电压），因此会影响太阳能电池的光电转化效率；（3） 电阻的大小：根据电路知识，太阳能电池等效为一个理想电流源、一个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻。所以，在负载一定的情况下，串联电阻越大，并联电阻越小，那么电流在输出的过程中的损耗就越大，即流经负载上的电流就越小。最终其光电转化效率越低，反之将越高。2. 不同辐照强度对能量转化效率有何影响？答:由本次实验结果可知：辐射强度越高，能量转化效率越高。反之，能量转化效率越低。3. 根据染料敏化太阳电池的结构和原理，讨论如何构筑高效率的染料敏化太阳电池器件。答：1.为了尽量减少光学损失，我们主要有以下措施：1 电池表面的上接触面积尽可能的小(尽管这可能会提高串联电阻）2 光照面使用减反射膜3 利用表面刻蚀减少反射4 增加电池厚度提高光吸收（尽管由于载流子复合吸收的光不一定贡献电流）表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路2. 减少电子空穴对的复合采用具有合适性能的半导体材料(尤其是光生载流产寿命长的材料)可以将载流产复合损失降至最低，也就是减少材料缺陷从而消除载流子复合通道。 3.电极设计电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。这样的材料应该满足：与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求。所示设计原则：让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照作用面积尽可能大。商品化电池生产中大量被采用的工艺是铝浆印刷。4.减小串联电阻，增大并联电阻串联电